基于遙感影像的徐州市自然生態(tài)環(huán)境評價

林煒鎧，田杰，孔薇絲，李思蓓，童樹瑜

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

城市的建設(shè)和發(fā)展在實現(xiàn)現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)繁榮的同時也改變了原生的自然環(huán)境導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題和矛盾。這類矛盾是社會發(fā)展所要面臨的人口、資源和環(huán)境中重要的內(nèi)容。因此想要解決這類矛盾就需要科學(xué)合理的對城市建設(shè)用地進(jìn)行規(guī)劃，而合理的規(guī)劃建立在充分了解城市資源、環(huán)境現(xiàn)狀以及城市動態(tài)變化信息，這樣才能充分發(fā)揮城市功能，實現(xiàn)科學(xué)管理城市用地。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其在城市地區(qū)應(yīng)用成果和理論研究的不斷深入，城市遙感憑借其可視范圍廣、不受地形影響、收集到的圖像清晰真實、重復(fù)率低、耗費時間短收集資料快等優(yōu)勢為解決城市環(huán)境問題實現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)開辟了一條新的道路。

本文以徐州市區(qū)為目標(biāo)，利用現(xiàn)有的Landsat8遙感數(shù)據(jù)，通過ENVI5.3軟件對遙感影像進(jìn)行分析并獲取植被覆蓋度和土壤指數(shù)，以這兩個生態(tài)因子的基礎(chǔ)上，通過歸一化處理建立綜合指數(shù)模型，以此對徐州市區(qū)范圍內(nèi)的自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定性、定量的分析和評價。

1 城市遙感研究現(xiàn)狀

利用各種遙感影像數(shù)據(jù)處理分析得到各種需要的數(shù)據(jù)指標(biāo)，并借助這些數(shù)據(jù)指標(biāo)建立自然生態(tài)環(huán)境評價系統(tǒng)，以此可以較為顯著地對某個研究區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定性、定量的判斷評價。對于自然生態(tài)環(huán)境評價系統(tǒng)的研究，不斷有學(xué)者提出了類比分析法、生態(tài)圖法等一系列評價方法：李如忠采用路人生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)，建立巢湖流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系，對巢湖流域進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價[1]；祖彭蕾等利用ETM+融合影像，提取相關(guān)生態(tài)因子，構(gòu)建自然生態(tài)環(huán)境評價模型[2]；王思夢等利用5年MODIS遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合地形數(shù)據(jù)提取植被覆蓋度、土壤指數(shù)和坡度等關(guān)鍵生態(tài)因子并基于歸一化的生態(tài)因子，利用遙感與GIS技術(shù)對大區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行檢測與評價[3]。

2 研究區(qū)概況

徐州，簡稱“徐”，古稱彭城，是江蘇省地級市，徐州位于華北平原的東南部，介于東經(jīng)116°22′～118°40′、北緯33°43′～34°58′之間，是淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市。徐州地處華北平原東南部、江蘇省西北部，平原面積約占全市面積的90%，總地勢呈西北向東南降低，海拔在30～50m之間，京杭大運河穿境而過，境內(nèi)河流較多，隴海鐵路、京滬鐵路兩大干線在此交匯，素有“五省通衢”之稱。本次研究以徐州市市區(qū)（銅山區(qū)、泉山區(qū)、云龍區(qū)和鼓樓區(qū)）為研究對象，范圍如圖表 1所示。

3 數(shù)據(jù)處理與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感影像使用的是由地理空間數(shù)據(jù)云提供的Landsat8 OLI_TRIS衛(wèi)星30分辨率的徐州市地區(qū)分幅遙感影像，其拍攝時間為2018年4月17號。利用ENVI5.3進(jìn)行圖像輻射定標(biāo)、大氣校正以及掩膜處理等預(yù)處理，然后根據(jù)徐州市市區(qū)（銅山區(qū)、泉山區(qū)、云龍區(qū)和鼓樓區(qū)）行政邊界圖，裁剪出徐州市區(qū)遙感影像。

3.2 研究方法

綜合指數(shù)法是先綜合后對比平均的方法，其最大優(yōu)點在于可以反映復(fù)雜現(xiàn)象總體的變動方向和程度，但它也存在缺陷，綜合指數(shù)法要求原始資料完整齊全且需要保持資料的現(xiàn)勢性和實用性。傳統(tǒng)的生態(tài)評價主要包括圖形疊加法、生態(tài)機(jī)理分析、類比法和列表清單法等，但傳統(tǒng)方法仍存在問題：調(diào)查內(nèi)容多、時間長、人員配置多、調(diào)查進(jìn)展緩慢。而基于遙感影像的綜合指數(shù)法即擁有遙感技術(shù)監(jiān)測信息實時性和動態(tài)變化變化現(xiàn)勢性的優(yōu)點也有綜合指數(shù)法反映復(fù)雜現(xiàn)象總體的變動方向和程度的科學(xué)性，因此被廣泛應(yīng)用于自然生態(tài)環(huán)境評價。生態(tài)環(huán)境狀況評價可以利用利用一個綜合指數(shù)（生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI）[4]，而這個綜合指數(shù)體系包括：環(huán)境限制指數(shù)、生態(tài)功能區(qū)生態(tài)功能狀況指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、植被覆蓋度和生態(tài)建設(shè)指數(shù)等多個環(huán)境相關(guān)指標(biāo)。

由于遙感技術(shù)尚存在局限性，許多指標(biāo)無法獲取數(shù)據(jù)，因而選取了植被、土壤和地形作為指標(biāo)進(jìn)行評價，效率較高，且有科學(xué)依據(jù)[2]。本文利用地理空間數(shù)據(jù)云下載的Landsat8遙感數(shù)據(jù)，通過ENVI軟件進(jìn)行處理分析獲得植被覆蓋度和土壤指數(shù)，建立自然生態(tài)綜合評價模型對徐州市區(qū)范圍的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定性評價，并使用ArcGIS軟件對獲得的自然生態(tài)環(huán)境指數(shù)灰度圖進(jìn)行分級色彩處理并制作專題地圖。

3.2.1 植被覆蓋度

想要獲得植被覆蓋度首先需要提取植被指數(shù)，然后依據(jù)植被指數(shù)計算植被覆蓋指數(shù)，本次選取的植被指數(shù)為歸一化植被指數(shù)（NDVI），其數(shù)學(xué)模型是[5]：

式中NIR表示近紅外波段，R表示紅光波段。NDVI也稱為生物量指標(biāo)變化，是反應(yīng)植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度和消除輻射誤差的重要參數(shù)。

植被覆蓋度指數(shù)的模型[6]為：

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVImin表示研究范圍內(nèi)最小的NDVI值，NDVImax表示研究范圍內(nèi)最大的NDVI值。因為圖像存在噪聲，且由于研究區(qū)域內(nèi)存在湖泊區(qū)域NDVI負(fù)值較多，這里的NDVImin和NDVImax根據(jù)直方圖分別取兩頭“拐點處”的值分別為39.26%和92.53%的累計百分比選擇的置信區(qū)間來計算。

3.2.2 土壤指數(shù)

土壤指數(shù)計算采用了王軍戰(zhàn)等得裸土植被指數(shù)模型（GRABS）[6]：

式中，GVI為K-T變換后的綠度指數(shù)，BI為K-T變換后的土壤亮度指數(shù)。采用表1K-T變換系數(shù)[7]來計算土壤亮度和GVI（植被綠度指數(shù)），結(jié)果見表3。

3.2.3 生態(tài)因子歸一化處理

歸一化方法處理可以將有量綱表達(dá)式變?yōu)闊o量綱表達(dá)式，可以解決各評價因子量綱不同不能直接比較的問題。采用密度分割的原則，按照各個指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境所造成的正向影響程度的大小，將它們分為10級。本文利用處理后的Landsat8遙感影像獲取研究區(qū)域的植被覆蓋度和土壤指數(shù)，并對其歸一化處理，根據(jù)得到的結(jié)果選擇置信區(qū)間區(qū)分出異常值，將異常值設(shè)定為1級后，再利用密度分割法對置信區(qū)間進(jìn)行從高到低的9個等級分類。生態(tài)因子指數(shù)歸一化處理后采用加權(quán)平均的運算，建立自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)模型，以此模型來計算自然生態(tài)環(huán)境指數(shù)，對徐州市區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定性和定量的評價。評價模型如下[8]：

式中，E為自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)，W為不同生態(tài)因子的權(quán)重，F(xiàn)C為植被覆蓋度，GRABS為土壤指數(shù)，S為坡度。式中三個生態(tài)因子的權(quán)重根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]中參考為W1=0.7W2=0.2W3=0.1。由于DEM文件缺失無法進(jìn)行坡度因子分析，評價公式變化為：

式中W1=0.75W2=0.25。

表1 Landset8 OLI K-T變換系數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 植被覆蓋度分析

通過置信區(qū)間的提取，置信區(qū)間內(nèi)的NDVI（歸一化植被指數(shù)）為0～1，通過評價植被對環(huán)境的正向貢獻(xiàn)程度，對研究區(qū)域進(jìn)行密度分割，將研究區(qū)域植被覆蓋度由低到高分為1～10等級，處理后得出結(jié)果（表2）。將得到的單波段灰度圖加載到ArcGIS軟件中，進(jìn)行分級彩色顯示設(shè)置，得到徐州市植被覆蓋度狀況圖（圖2）。

結(jié)合實地信息并通過觀察獲得的結(jié)果圖，我們發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)域中心為居民建筑密集的城市區(qū)域，外圍是居民建筑分布較少、生態(tài)公園較多的郊區(qū)，所以徐州市區(qū)植被覆蓋有明顯的從中心向四周升高的趨勢。植被覆蓋度較高的區(qū)域主要集中在南部云龍湖風(fēng)景區(qū)附近；西北部九里湖濕地公園；東部金龍湖景區(qū)；東南部新城區(qū)大龍湖景區(qū)。這也側(cè)面說明了植被覆蓋度與城市居民建筑分布和地形因素有著極強(qiáng)的相關(guān)性。植被覆蓋度在0.6以上的區(qū)域占到59.709%。中部城市居民地區(qū)域植被覆蓋度普遍偏低，但由于徐州市在發(fā)展階段注重民生、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)“三位一體”發(fā)展，其中植被覆蓋率在4級以下占比僅有4.953%。而市區(qū)周圍的森林公園、景區(qū)等，都是徐州市重要的生態(tài)安全走廊。由于云龍湖風(fēng)景區(qū)存在大片湖泊呈現(xiàn)低覆蓋度的特征，文中將不做進(jìn)一步的分析討論。

表2 植被覆蓋度歸一化指數(shù)

4.2 土壤指數(shù)分析

根據(jù)公式（3）的計算結(jié)果，將所得到的單波段灰度圖像利用密度分割方法，由低到高賦予1～10級，計算后得出結(jié)果（表3），并輸出得到太原市土壤指數(shù)狀況（圖3）。

通過比較圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，徐州市區(qū)土壤健康狀況分布植被覆蓋度與其植被覆蓋度分布大致相同，由于城市綠被有保育土壤的作用，土壤指數(shù)較高的區(qū)域出現(xiàn)在植被覆蓋度同樣較高的云龍山公園附近，最低值則位于研究區(qū)中部植被覆蓋度較低的泉山區(qū)。從結(jié)構(gòu)分布特征上，等級4～9占全市面積的30%以上，由于研究區(qū)域范圍較小且為市區(qū)土壤指數(shù)異常較多，3級以下的區(qū)域占據(jù)大多數(shù)。總體土壤情況較差，主要是因為城市化的發(fā)展出現(xiàn)了“樓房熱”等盲目開發(fā)土地的情況，可以看出研究區(qū)中部為居民聚集點，土壤指數(shù)基本都在3級以下，這也是城市化發(fā)展不可避免的問題。

表3 土壤歸一化指數(shù)

圖3 徐州市區(qū)土壤情況

4.3 徐州市自然生態(tài)環(huán)境評價

通過公式（5）進(jìn)行計算，得到的單波段灰度圖像在ArcMap軟件中進(jìn)行分級色彩顯示，具體的評價等級與指數(shù)說明[9]如下（表4）：

表4 評價等級與指數(shù)說明

將研究區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)有高到低分別評定為優(yōu)、良、中、差4個等級，計算得出結(jié)果（表5），并輸出徐州市區(qū)自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)狀況（圖4）。

從中圖4可以看出，徐州市區(qū)自然生態(tài)環(huán)境狀況總體較好。其中環(huán)境級別為差的區(qū)域面積占總面積17.68%，環(huán)境級別為中的占40.05%，環(huán)境級別為良的區(qū)域面積最多占40.44%，而環(huán)境級別為優(yōu)的區(qū)域最少，僅占1.82%。其中自然生態(tài)環(huán)境評價指數(shù)較低的區(qū)域絕大部分為人類活動頻繁、人口密集的區(qū)域，包括研究區(qū)域中部鼓樓區(qū)、泉山區(qū)。圖中出現(xiàn)云龍湖生態(tài)環(huán)境指數(shù)為差，是由于在植被覆蓋度分析時未將其列入考慮范圍，所以出現(xiàn)指數(shù)異常的情況。良等級的地區(qū)最多，生態(tài)公園附近區(qū)域。另外經(jīng)過仔細(xì)辨別，仍然可以發(fā)現(xiàn)許多優(yōu)等級的地塊出現(xiàn)在大龍湖景區(qū)和九里湖濕地公園，說明濕地公園是城市化發(fā)展中保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效措施。

表5 自然生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)

圖4 徐州市自然生態(tài)環(huán)境綜合狀況

5 結(jié)語

（1）從評價結(jié)果上來看，徐州市自然生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀還算尚可，但是由于城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷快進(jìn)，城市向外擴(kuò)張加速，城鎮(zhèn)中土地利用類型逐漸由多用途轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，在一定程度上使得生態(tài)自然不斷衰退，導(dǎo)致自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較前兩年有下降趨勢[10]。

（2）盡管徐州市整體生態(tài)環(huán)境稍有下降，但是仔細(xì)對比評價分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持大體不變，沒有較大波動。位于云龍湖附近的老城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對提升，主要原因是徐州近年來實施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，增加了老城區(qū)附近的綠化比重，加強(qiáng)污染處理整治，在極大程度上緩解了徐州的生態(tài)環(huán)境壓力。但是由于徐州市旅游業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致景區(qū)周圍建設(shè)用地不斷增加，不斷侵占植被用地，使得周圍生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況呈下降趨勢。

（3）本文利用地理數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載到的Landsat8 OLI遙感影像，對遙感影像進(jìn)行處理后提取歸一化植被指數(shù)（NDVI）和土壤指數(shù)，對提取的指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理后進(jìn)行加權(quán)求和得到自然生態(tài)環(huán)境評價模型[11]，定量、客觀對徐州市的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了分析，一定程度上揭示了徐州市自然生態(tài)環(huán)境的總體狀況及空間差異，具有一定的現(xiàn)實參考意義，但需要注意這些指標(biāo)仍具有不足性，得出的結(jié)果與實際徐州市生態(tài)自然環(huán)境有一定差距，在后續(xù)的研究中，我們將繼續(xù)豐富研究手段及方法，進(jìn)一步豐富評價因子，并與城市規(guī)劃結(jié)合，得出更加詳盡的自然生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果。

綜上，在城市化進(jìn)程中，需要特別注意土地資源的節(jié)約及合理利用，做好土地資源的規(guī)劃及有效利用，應(yīng)當(dāng)合理推進(jìn)城市綠化發(fā)展，注意加強(qiáng)對高層空間和地下空間以及城市邊緣地區(qū)的開發(fā)，維護(hù)人與自然的和諧統(tǒng)一，有助于提高城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。